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      一種并聯(lián)混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器注入支路的參數(shù)設(shè)計方法

      2016-08-11 08:03:42楚烺
      大科技 2016年5期
      關(guān)鍵詞:無源有源支路

      楚烺

      (廣州供電局有限公司番禺供電局 廣東省廣州市 511400)

      一種并聯(lián)混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器注入支路的參數(shù)設(shè)計方法

      楚烺

      (廣州供電局有限公司番禺供電局 廣東省廣州市 511400)

      并聯(lián)混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器注入支路的參數(shù)對有源部分諧波注入能力有很大影響,研究注入支路參數(shù)設(shè)計具有重要意義。本文以獲得最大諧波注入能力為目標(biāo),建立有源部分注入電網(wǎng)的諧波量與注入支路元件參數(shù)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析求解,得到注入支路最優(yōu)參數(shù),降低了有源部分容量需求,易于實現(xiàn)裝置在高電壓大功率場合的應(yīng)用。

      注入支路;參數(shù)設(shè)計;諧波注入能力

      引言

      并聯(lián)混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Shunt hybrid power quality conditioner,SHPQC)能克服無源電力濾波器易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的缺陷,且相對有源電力濾波器容量更大[1~6]。

      為了能應(yīng)用于高壓大功率場合,應(yīng)盡可能降低SHPQC有源部分承受的電壓,提高有源部分的諧波注入能力[7]。本文研究一種注入支路的參數(shù)設(shè)計方法,通過建立相關(guān)參量間的函數(shù)模型并求解得到一組最優(yōu)的注入支路元件參數(shù),使有源部分諧波注入能力最強(qiáng),更易實現(xiàn)SHPQC在高壓大功率場合的應(yīng)用。

      1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

      本節(jié)介紹一種SHPQC的結(jié)構(gòu),結(jié)合其單相等效電路闡述了基本工作原理。

      1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

      所述SHPQC的結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括由電壓型逆變器等構(gòu)成的有源部分及由多組單調(diào)諧無源濾波器構(gòu)成的無源部分,實現(xiàn)諧波抑制及無功補(bǔ)償功能。電壓型逆變器輸出端通過輸出濾波電抗器L0與電感L并聯(lián)再接至隔離變壓器原邊,隔離變壓器副邊與一組單調(diào)諧無源濾波支路串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)。由C1及L1構(gòu)成某單次諧波諧振支路,有源部分只向電網(wǎng)注入相應(yīng)單次諧波。此諧振支路對基波阻抗Z1呈容性,與電感L對電網(wǎng)電壓串聯(lián)分壓,電壓型逆變器的直流側(cè)電容通過與L交換能量實現(xiàn)直流側(cè)電壓Udc的穩(wěn)定。

      圖1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

      1.2 系統(tǒng)的基本原理

      此SHPQC的單相等效電路如圖2所示。將負(fù)載看做一個電流源,其峰值為ILd,其中負(fù)載電流中的諧波電流峰值為ILdh;有源濾波器部分的電壓型逆變器的輸出等效為一個電壓源,其峰值為UF;隔離變壓器原邊并聯(lián)的小電感L兩端基波分壓峰值為UL。設(shè)SHPQC有源濾波器部分的輸出電感L0兩端的電壓峰值為Un,即電壓型逆變器輸出的n次諧波電壓,因此,可得有源濾波器部分發(fā)出的諧波電流峰值IF如下:

      其中ZL0h為電感L0的n次諧波阻抗。

      有源部分中逆變器發(fā)出的諧波電流IF中的一部分Ih通過單次諧波諧振支路注入電網(wǎng),另一部分諧波電流流入逆變器交流側(cè)并聯(lián)的電感L。

      圖2 單相等效電路圖

      2 電壓型逆變器及注入支路模型分析

      本節(jié)主要對有源部分中電壓型逆變器及注入支路進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析,為有源部分在諧波域的整體數(shù)學(xué)模型建立提供依據(jù)。

      2.1 有源濾波器模型分析

      如圖3所示,設(shè)電壓型逆變器交流側(cè)輸出的相電壓瞬時值為Uapf,忽略電網(wǎng)背景諧波電壓的影響,則有:

      其中θ、θn分別為電感L的基波相位和有源部分逆變器輸出諧波電壓相位,da為逆變器a相的占空比,Uapf的峰值為UF。

      圖3 電壓型逆變器單相等效電路圖

      假設(shè)電壓型逆變器可以承受的直流側(cè)最大穩(wěn)定直流電壓為Udcm,則由上式可知:

      當(dāng)Udc=Udcm時,Unm為電壓型逆變器能輸出的最大諧波電壓峰值,由于諧波電壓相位θn不同則其峰值Unm大小也不一樣,因此,取所有相位中諧波輸出峰值中的最小值(即取UL和Un峰值疊加的情況)作為諧波電壓峰值即n次諧波的最大輸出能力,即令:

      則Unm為電壓型逆變器能輸出的最大n次諧波電壓峰值。

      2.2 注入支路模型分析

      注入支路單相等效電路如圖4所示,可看作由C1、L1及L組成。圖中,設(shè)單調(diào)諧無源濾波支路的基波阻抗為Z1,則有:

      由于Z1呈容性,因此,Z1<0。此單調(diào)諧無源濾波支路的n次諧波阻抗為Z1h,由于偏諧及元件內(nèi)阻等原因,無源濾波支路的阻抗為較小的阻感性的阻抗,所以Z1h>0。

      注入支路中電感L上的基波電壓峰值為UL,則:

      由于電網(wǎng)側(cè)電壓為高電壓,而SHPQC的有源部分不能承受很高的基波電壓,因此L的電感值很小,Z1遠(yuǎn)大于電感L的基波阻抗ZL,整條注入支路的基波阻抗呈容性,即:

      所以電感L上的基波電壓峰值UL的表達(dá)式符號為負(fù)號,由UL的表達(dá)式可知,ZL越大,電感L兩端的基波電壓越大,則SHPQC的有源部分承受的基波電壓也越大,因此,L的電感值不能太大。

      圖4 注入支路單相等效圖

      3 注入支路參數(shù)設(shè)計

      本節(jié)建立有源部分注入電網(wǎng)的諧波電流與注入支路元件參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,并分析求解,得到使諧波注入能力最強(qiáng)的注入支路元件參數(shù),并闡述了注入支路的具體參數(shù)設(shè)計步驟。

      3.1 數(shù)學(xué)模型建立

      SHPQC諧波分流等效電路圖如圖5。無源濾波支路的n次諧波阻抗為Z1h,電感L的n次諧波阻抗為ZLh=nZL。若Udc=Udcm時,SHPQC的有源濾波器輸出的n次諧波電流峰值為IF,則:

      式中ZL0為L0的基波阻抗。

      圖5 諧波分流等效電路圖

      Ih為SHPQC有源濾波器輸出的n次諧波電流IF中注入電網(wǎng)的諧波電流的峰值,由此可得:

      由上式可知當(dāng)IF不變時,ZL越大,則Ih越,即SHPQC的諧波注入能力越強(qiáng),因此L的電感值不能太小。將IF的表達(dá)式代入上式,得:

      將UL的表達(dá)式代入上式,整理可得:

      式中,Udcm/2、US為已知量,若n及C1、L1的參數(shù)值已知,則Z1、Z1h為已知量,上式右邊只有ZL為未知量,因此Ih可以看成ZL的函數(shù)Ih(ZL),即有源部分向電網(wǎng)注入的諧波電流大小只與逆變器交流側(cè)并聯(lián)的小電感L的阻抗ZL有關(guān)。

      3.2 模型分析求解

      本節(jié)通過分析求解函數(shù)模型Ih(ZL),得到最佳的電感L參數(shù)使有源部分注入電網(wǎng)的諧波電流Ih取得最大值。

      為了方便模型分析求解,現(xiàn)做如下轉(zhuǎn)化:

      將Ih(ZL)對ZL求導(dǎo),求出導(dǎo)數(shù)I′h(ZL)為零的點,可求出Ih(ZL)的極大值點,即為Ih(ZL)的最大值點,從而可求得對應(yīng)的電感L的值。由SHPQC的工作原理可得:

      在此區(qū)間內(nèi),v(ZL)≠0,故Ih(ZL)對ZL可導(dǎo),其導(dǎo)數(shù)I′h(ZL)如下:

      由以上分析可知I′h(ZL)=0存在兩個解,如下:

      由于b2-4ac>b2,因此可得:

      由上述分析可知,Ih(ZL)在ZL=ZL2時取得最大值;代入各項已知參數(shù)計算出a、b、c,然后代入上述ZL2的表達(dá)式求出ZL2的值,則可得對應(yīng)的電感L值如下:

      此電感值L即為其他條件已知情況下使SHPQC注入電網(wǎng)的n次諧波電流最大的參數(shù)值。

      3.3 參數(shù)設(shè)計步驟

      本節(jié)根據(jù)上述理論分析,給出具體的注入支路參數(shù)設(shè)計步驟。上述理論是假設(shè)Udcm/2、US、n、C1、L1均為已知量的條件下,求得的電感值L的表達(dá)式,實際參數(shù)設(shè)計過程中需要先確定注入支路中的其他元件參數(shù)量再確定并聯(lián)電感L的參數(shù)。

      (1)首先,確定SHPQC注入支路中單調(diào)諧無源濾波器的諧振頻率n及其所要提供補(bǔ)償?shù)臒o功量Q;

      (2)根據(jù)單調(diào)諧無源濾波器的無功量Q確定單調(diào)諧無源濾波器中的電容值C1,然后根據(jù)其諧振頻率n確定電感L1的參數(shù);

      (3)US為電網(wǎng)電壓峰值,是已知量,根據(jù)上述有源濾波器模型分析理論可求得Udcm值;

      (4)確定以上各參數(shù)值后,將各參數(shù)值代入上述電感L的表達(dá)式,求出電感L的參數(shù)值;

      (5)對所設(shè)計的參數(shù)進(jìn)行驗證,可采用計算和仿真等方法,根據(jù)以上設(shè)計的L1、C1及L的參數(shù)值,分析SHPQC的整條注入支路是否會引起特征次諧波諧振。如果發(fā)生特征次諧波諧振,則適當(dāng)調(diào)整電感L的參數(shù)值,保證注入支路不會引起特征次諧波諧振的同時盡可能使SHPQC向電網(wǎng)注入的n次諧波電流值最大。

      4 結(jié)論

      本文提出了一種SHPQC注入支路的參數(shù)設(shè)計方法,以最大化有源部分的諧波注入能力為目標(biāo),通過建立相關(guān)參量間的函數(shù)模型并分析求解得到一組最優(yōu)的注入支路元件參數(shù),使有源部分諧波注入能力最強(qiáng),降低對有源部分容量的要求,從而使裝置更易實現(xiàn)在高壓大功率場合的應(yīng)用。

      [1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京:中國電力出版社,2006.

      [2]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

      [3]FUJITAH.Ahybrid active filter for damping of harmonic resonance in industrial power systems.IEEE Trans on Power Electronics,2000,15(2):215~222.

      [4]帥智康,羅安,范瑞祥,周柯,唐杰.注入式混合有源電力濾波器的注入支路設(shè)計.電力系統(tǒng)自動化,2007,31(5):57~60.

      [5]HAFNERJ,AREDSM,HEUMANNK filter appliedto high voltage distribution Power Delivery,1997,12(1):266~272.

      [6]程瑩,羅安,浣威.注入式混合有源電力濾波器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及其工程應(yīng)用.電網(wǎng)技術(shù),2010,34(10):53~59.

      [7]鞠建永,徐德鴻.混合型有源電力濾波器有源部分容量比較.電能質(zhì)量管理,2007:34~39.

      TM73

      A

      1004-7344(2016)05-0096-03

      2016-2-5

      楚烺(1988-),男,湖南人,碩士研究生,主要從事電能質(zhì)量治理和新能源發(fā)電技術(shù)的研究。

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